DE112010004050T5

DE112010004050T5 - Verfahren zum Steuern der Helligkeit einer LED

Info

Publication number: DE112010004050T5
Application number: DE112010004050T
Authority: DE
Inventors: Ian Wilson; Frederick Stevens; James Frankland
Original assignee: Tridonic UK Ltd
Current assignee: Tridonic UK Ltd
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN102577607A; EP2489243A1; DE112010004050B4; CN102577607B; WO2011045057A1

Abstract

Verfahren zum Steuern der Helligkeit einer LED, wobei ein dimmbares LED-Modul mit einem Dimmer verbunden ist, wobei das dimmbare LED-Modul eine Stromableitschaltung (6) enthält, gekennzeichnet durch eine periodische Anwendung eines Ableitstroms, wobei die periodische Anwendung des Ableitstroms nur über eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen angewendet wird, welchen eine Anzahl von Netzhalbwellen folgt, wo kein Ableitstrom angewendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Helligkeit einer LED, wobei ein dimmbares LED-Modul mit einem Dimmer, welcher auch als Phasenschnittssteuerung bekannt ist, verbunden ist.
Technisches Gebiet
Um Energie zu sparen, werden heutzutage oft Energiesparlampen verwendet. Mit der Einführung von leistungsfähigen Leuchtdioden (LED) als mögliche Leuchtquellen gibt es auch eine Nachfrage nach LED-Energiesparlampen, welche gedimmt werden können. Solche Systeme müssen die Funktionalität einer Dimm-Schnittstelle vorsehen, insbesondere zur Verwendung mit Phasendimmern. Im Allgemeinen sind mehrere Arten von Dimmern verfügbar. Diejenigen Dimmer, welche Triac- oder Thyristor-Anordnungen verwenden, arbeiten auf sehr ähnliche Weise. Beide fungieren als Hochgeschwindigkeitsschalter und werden in einem Dimmer verwendet, um die einer Lampe zugeführte Menge an elektrischer Energie zu steuern. Sie tun dies durch „Zerhacken” (”Chopping”) der sinusförmigen Netzspannungswellenform. Ein Trigger- oder Auslöseimpuls legt fest, an welchem Punkt die Anordnung zu leiten beginnt. Je später die Anordnung ausgelöst wird, desto später beginnt sie zu leiten, und somit wird weniger Energie zu der Last übertragen.
Stand der Technik
Es wurden verschiedene Schaltungsanordnungen vorgeschlagen, welche LED-basierte Lichtquellen um die Dimmfunktionalität ergänzen sollen.
Ein Beispiel wäre die EP 1016062 B1 , in welcher LEDs mittels eines digitalen Busses, zum Beispiel durch DMX, gesteuert werden können.
Das Hauptproblem ist die Kompatibilität eines gebräuchlichen Triac-Dimmers bei Verwendung mit einer LED-Treiberschaltung, wobei ein Dimmsignal gemäß der Steuerung des Phasendimmers bereitgestellt werden soll. Daher liegt der Hauptaugenmerk der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Schaltung vorzuschlagen, um dieses Problem zu lösen.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt eine verbesserte Lösung zum Dimmen von LEDs basierend auf einer Phasenschnittmanipulation einer AC-Versorgungsspannung eines Betriebsmittels für eine oder mehr LEDs, OLEDs oder irgendwelche anderen Leuchtmitteln, welche vergleichbar hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften sind, vor.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere Schaltanordnung bereitzustellen, welche ein Dimmen über normale GLS-Phasenschnittdimmer (z. B. mittels Triac oder Thyristor) eines LED-Treibers mit niedrigen Leistungsverlusten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche entwickeln den Kerngedanken der Erfindung weiter.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Helligkeit einer LED bereitgestellt, wobei ein dimmbares LED-Modul mit einem Dimmer verbunden ist, wobei das dimmbare LED-Modul eine Stromableitschaltung enthält, welche als eine Last für den Phasendimmerhaltestrom fungiert, gekennzeichnet durch eine periodische Anwendung bzw. Aktivierung eines Ableitstroms, wobei die periodische Anwendung des Ableitstroms nur über eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen angewendet wird, welcher eine Anzahl von Netzhalbwellen folgt, in denen kein Ableitstrom angewendet wird.
Die Erfindung betrifft auch ein dimmbares LED-Modul, wobei das Modul ausgestaltet ist, um durch Verwendung eines Dimmers, welcher einen Phasenschnitt einer dem LED-Modul zugeführten AC-Versorgungsspannung steuert, gedimmt zu werden, wobei das Modul umfasst:
eine Stromableitschaltung (6) zum selektiven Ziehen eines Ableitstroms abhängig von dem in der AC-Versorgungsspannung vorhandenen Phasenschnitt,
gekennzeichnet durch eine periodische Anwendung eines Ableitstroms, wobei die periodische Anwendung des Ableitstroms nur über eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen angewendet wird, welcher eine Anzahl von Netzhalbwellen folgt, in denen kein Ableitstrom angewendet wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein dimmbares LED-Modul, wobei das Modul ausgestaltet ist, um durch Verwendung eines Dimmers, welcher einen Phasenschnitt einer dem LED-Modul zugeführten AC-Versorgungsspannung steuert, gedimmt zu werden, wobei as Modul umfasst:

– eine Stromableitschaltung zum selektiven Ziehen eines Ableitstroms,
– eine Steuerschaltung, welche selektiv die Stromableitschaltung aktiviert, wobei der Steuerschaltung ein Signal, welches die Aktivität der Stromableitschaltung anzeigt, zugeführt wird, wobei die Steuerschaltung basierend auf dem Ableitaktivität-Anzeigesignal einen Wert bestimmt, welcher den in der AC-Versorgungsspannung vorhandenen Phasenschnitt darstellt, und ein Steuersignal als eine Funktion des Phasenschnittwerts ausgibt, und
– zumindest eine Treiberschaltung, welcher das Steuersignal zugeführt wird und welche die entsprechenden LED-Leuchtmitteln zugeführte Energie bzw. Leistung einstellt.

Das Ableitaktivität-Anzeigesignal kann direkt oder indirekt den Ableitstrom oder eine Spannung über Widerstandsmittel der Stromableitschaltung, wie zum Beispiel ein Widerstandsmittel, welches den kombinierten Effekt der Versorgungsspannung und der Aktivität der Stromableitschaltung misst, anzeigen.
Die Stromableitschaltung kann eine Schaltung sein, welche separat von der Steuerschaltung oder als integrierter Teil der Steuerschaltung vorgesehen ist.
Das Ableitaktivität-Anzeigesignal kann ein Pulssignal sein.
Die Steuerschaltung kann die Pulsweite des Ableitaktivität-Anzeigesignals bestimmen.
Der Ableitstrom kann konstant, variierend oder gepulst, insbesondere aktiv PWMgesteuert, sein.
Das die Ableitaktivität anzeigende Signal kann für jeden Zyklus bzw. jede Periode der Netzspannung oder periodisch, d. h. nicht für alle Netzspannungszyklen, erzeugt werden.
Die Stromableitschaltung kann eine Spannungsquelle umfassen, und die Stromableitschaltung kann eine zeitlich gesteuerte Logik umfassen, welche einen Schalter der Stromableitschaltung aktiv steuert.
Die Steuerschaltung kann ausgestaltet sein, um basierend auf dem Ableitaktivität-Anzeigesignal die Zeiten der Nulldurchgänge der AC-Versorgungsspannung sowie die Zeiten jedes Phasenschnitts der AC-Versorgungsspannung zu erhalten.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein LED-Modul, wobei das LED-Modul eine Stromableitschaltung umfasst und eine Treiberschaltung, welche die Leistung des LED-Leuchtmittels mittels

– einer Niedrigfrequenz-PWM-Steuerung, wobei die PWM-Pulse eine Frequenz in der Größenordnung der doppelten Frequenz der AC-Versorgungsspannung aufweisen, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 90 und 140 Hz, wobei die PWM-Pulse vorzugsweise synchron mit dem Ableitaktivität-Anzeigesignal sind, und/oder
– einer Hochfrequenz-PWM-Steuerung, wobei die PWM-Pulse eine Frequenz von mehr als 200 Hz, vorzügsweise mehr als 500 Hz, aufweisen, und/oder
– einer Steuerung einer Amplitude eines DC-Stroms durch das LED-Leuchtmittel

Das Versorgungspotential des LED-Leuchtmittels kann von der Versorgungsspannung durch Isolierungsmittel, wie z. B. einen Optokoppler, isoliert sein, wobei die Steuerschaltung mit dem Potential der Primärseite oder der Sekundärseite der Isolierungsmittel verbunden sein kann.
Die Erfindung betrifft auch eine nachgerüstete LED-Lampe, welche ein LED-Modul wie oben beschrieben umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines dimmbaren LED-Moduls, wobei das Modul durch Verwendung eines Dimmers, z. B. eines Dimmers mit einem Triac, welcher einen Phasenschnitt einer dem LED-Modul zugeführten AC-Versorgungsspannung steuert, gedimmt wird, wobei:

– eine Stromableitschaltung des LED-Moduls selektiv einen Ableitstrom zieht,
– eine Steuerschaltung selektiv die Stromableitschaltung aktiviert, wobei der Steuerschaltung ein Signal, welches die Aktivität der Stromableitschaltung anzeigt, zugeführt wird, und wobei die Steuerschaltung abhängig von dem Ableitaktivität-Anzeigesignal ein Steuersignal ausgibt, und
– zumindest einer Treiberschaltung das Steuersignal zugeführt wird und die Treiberschaltung die entsprechenden LED-Leuchtmitteln zugeführte Energie bzw. Leistung einstellt.

Das Ableitaktivität-Anzeigesignal zeigt direkt oder indirekt den Ableitstrom oder eine Spannung über Widerstandsmittel der Stromableitschaltung, wie zum Beispiel ein Widerstandsmittel, welches den kombinierten Effekt der Versorgungsspannung und der Aktivität der Stromableitschaltung misst, an.
Das Ableitaktivität-Anzeigesignal ist ein Pulssignal, und die Steuerschaltung bestimmt die Pulsweite des Ableitaktivität-Anzeigesignals.
Die Steuerschaltung kann basierend auf der Auswertung der Pulsweite die Zeiten der Nulldurchgänge der AC-Versorgungsspannung bestimmen.
Die Steuerschaltung kann die Messung jedes in der Versorgungsspannung vorhandenen Phasenschnittwinkels basierend auf den Zeiten der Nulldurchgänge synchronisieren.
Der Ableitstrom kann konstant, variierend oder gepulst sein, insbesondere durch aktive PWM-Steuerung eines Schalters der Stromableitschaltung.
Das die Ableitaktivität anzeigende Signal kann für jeden Zyklus bzw. jede Periode der Netzspannung oder periodisch, d. h. nicht für alle Netzspannungszyklen, erzeugt werden.
Die Stromableitschaltung kann passiv aktiviert oder, beispielsweise durch einen Schalter, aktiv gesteuert werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Figuren der beigefügten Zeichnung ersichtlich.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird nachfolgend beispielhaft und nicht einschränkend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
1 eine erste Ausführungsform eines dimmbaren Vorschaltgeräts für LED-Leuchtmittel zeigt;
2 eine zweite Ausführungsform eines dimmbaren Vorschaltgeräts für LED-Leuchtmittel zeigt;
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines dimmbaren Vorschaltgeräts für LED-Leuchtmittel zeigt;
4 eine bevorzugte Ausführungsform einer Stromableitschaltungsanordnung der Erfindung zeigt;
5 typische Wellenformen bei Anwendung dieser Erfindung zeigt;
6 eine weitere Ausführungsform einer Stromableitschaltungsanordnung der Erfindung zeigt; und
7 detailliert eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 wird nun eine erste Ausführungsform eines dimmbaren Vorschaltgeräts für LED-Leuchtmittel beschrieben. Gemäß dieser ersten Ausführungsform wird eine sekundärseitige Steuerung (Regelung) für die LED-Leistung vorgeschlagen.
Es sei angemerkt, dass sich „Primärseite” und „Sekundärseite” auf die primäre Seite bzw. sekundäre Seite eines Isolierungsmittel bezieht, welches das Potential des LED-Leuchtmittels von der Versorgungsspannung trennt, wie dies später im Detail beschrieben wird.
Wie aus 1 ersichtlich, ist eine AC-Versorgungsspannung 1, wie z. B. eine AC-Netzspannung einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz und eine RMS-Spannung von 120 V oder 230 V, einem Eingangsfilter 2 des Vorschaltgeräts zugeführt.
Wie schematisch in 1 gezeigt, kann die AC-Versorgungsspannung phasengeschnitten sein, z. B. mittels eines Dimmers, welcher manuell durch einen Anwender bedient wird, wobei der Dimmer einen Triac oder einen Thyristor für den Phasenschnitt umfasst. Die Zeitdauer des Phasenschnitts stellt einen Dimmbefehl dar.
Das Ausgangssignal, d. h. die gefilterte AC-Versorgungsspannung des Eingangsfilters 2, ist dann sowohl einem ersten Gleichrichter 3 als auch einem zweiten Gleichrichter 4 zugeführt.
Der erste Gleichrichter 3 ist vorgesehen, um die Leistung an die LED-Leuchtmittel 5 zu übertragen.
Der zweite Gleichrichter 4 ist vorgesehen, um eine Stromableitschaltung 6 und eine Dimmsteuerschaltung 7 zu speisen.
Es sein angemerkt, dass es auch möglich ist, nur einen einzelnen Gleichrichter sowohl für die Leistungsübertragung an die LED-Leuchtmittel 5 als auch für die Stromableitschaltung 6 vorzusehen.
Der Ausgabe des ersten Gleichrichters 3, d. h. die gefilterte und gleichgerichtete AC-Versorgungsspannung, kann optional zugeführt werden

– einer Talfüllschaltung 8 (z. B. einer aktiven Talfüllschaltung, einer passiven Talfüllschaltung, oder eine kombinierten aktiven-passiven Talfüllschaltung),
– einer aktiv geschalteten PFC-Schaltung 9 (wobei ein Schalter der PFC-Schaltung durch eine Steuerschaltung, welche zumindest ein Eingangssignal empfängt, gesteuert wird), oder
– einer Filterschaltung 10, welche zum Beispiel einen Elektrolytkondensator aufweist.

Die somit verarbeitete gleichgerichtete und gefilterte Versorgungsspannung ist dann dem LED-Treiber 11, welcher einen DC/DC-Konverter wie beispielsweise einen Sperrwandler 12, insbesondere einen quasi-resonanten Sperrwandler, aufweist, zugeführt. Es sei angemerkt, dass andere isolierte oder nicht isolierte DC/DC-Konverter verwendet werden können. Die Isolierung kann auch außerhalb des DC/DC-Konverters vorgesehen sein. Das dimmbare LED-Modul kann auch nicht isoliert sein, so dass es einen nicht isolierten Abwärtswandler als DC/DC-Konverter umfassen kann.
Der LED-Treiber 11 versorgt die LED-Leuchtmittel 5 mit einer geregelten (rückkopplungsgesteuerten) Leistung.
Wie schematisch in 1 gezeigt, können die LED-Leuchtmittel 5 eine Vielzahl von LEDs (oder OLEDs oder anderen Leuchtmitteln mit vergleichbaren elektrischen Eigenschaften) aufweisen, welche in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Ein Rückführsignal 13, welches zum Beispiel den Strom durch die LED-Leuchtmittel anzeigt, wird zu dem LED-Treiber 11 zurückgeführt. Bei dem gezeigten Beispiel weist der LED-Treiber, welcher als Sperrwandler 12 ausgestaltet ist, einen primärseitigen Schalter 14 auf.
Durch Anpassen der Taktung des Schalters 14 kann die den LED-Leuchtmitteln zugeführte Leistung so gesteuert werden, dass sich der gemessene Wert des Rückführsignals 13 einem Sollwert annähert, sofern er nicht dem Sollwert entspricht.
Es kann möglich sein, dass die LED über Kalibrierung eingestellt und ein ungeregelter Betrieb der LED akzeptiert wird. Die Modifizierung der dem LED-Leuchtmittel zugeführten elektrischen Leistung könnte durch Veränderung der Amplitude des LED-Stroms oder nur durch einen Burst-Betrieb gemäß dem von der Stromableitschaltung abgeleiteten Phasendimmsignal erfolgen
Allgemeinen weist der DC/DC-Konverter zumindest einen Steuereingang zum Modifizieren der dem LED-Leuchtmittel 5 zugeführten elektrischen Leistung auf.
Das Potential des LED-Leuchtmittels 5 kann von der AC-Versorgungsspannung 1 galvanisch isoliert sein. In dem gezeigten Beispiel ist diese Isolierung tatsächlich mittels des Transformators 15 des AC/DC-Konverters 12 realisiert.
Die Spannungssteuerung, zum Beispiel über den Schalter 14 des DC/DC-Konverters 12, erfolgt gemäß einer Steuerung durch ein Ausgangssignal 16 der Dimmersteuerschaltung 7. Die Dimmersteuerschaltung 7 stellt somit über das Signal 16 einen Sollwert für die LED-Leuchtmittelleistung zur Verfügung.
Eine Steuerschaltung 17 steuert tatsächlich beispielsweise den Schalter 14 des LED-Treibers 11 abhängig von dem gemessenen Rückführsignal 13 und dem gesteuerten (Sollwert-) Signal 16 der Dimmersteuerschaltung 7 an.
Wie schematisch anhand des Bezugszeichens 18 gezeigt, ist die Dimmersteuerschaltung 7 zum Beispiel durch einen Optokoppler 18 von dem Potential des LED-Leuchtmittels 5 isoliert, wobei in dem vorliegenden Beispiel die Dimmersteuerschaltung 7 nicht von der AC-Versorgungsspannung 1 isoliert ist. Da es ist nicht erforderlich ist, die Dimmersteuerschaltung 7 von dem Potential des LED-Leuchtmittels 5 zu isolieren, könnte die Dimmersteuerschaltung 7 auch direkt mit der Sekundärseite, zum Beispiel mit dem LED-Treiber 11, verbunden sein.
Die Ausführungsform von 1 wird als sekundärseitige Regelung bezeichnet, da die Leistungs-(oder Strom-)Steuerung des LED-Leuchtmittels 5 auf der Sekundärseite des Isolierungsmittels 15 erfolgt.
Bei der alternativen Ausführungsform von 2 ist das Konzept einer primärseitigen Regelung implementiert. Die AC-Versorgungsspannung ist wiederum einem Eingangsfilter 2 und anschließend einem Burst-Gleichrichter 3 in einem zweiten Gleichrichter 4 zugeführt. Das Ausgangssignal des ersten Gleichrichters 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel wieder direkt dem LED-Treiber 11 zugeführt. Vorzugsweise weist auch der LED-Treiber 11 Isolierungsmittel 15 auf, wie z. B. den dargestellten Transformator.
Das Ausgangssignal des zweiten Gleichrichters 4 wird erneut sowohl einer Stromableitschaltung 6 als auch einer Dimmersteuerschaltung/Schnittstelle 7 zugeführt. Der Begriff „Schnittstelle” muss so verstanden werden, dass er sich auf die Tatsache bezieht, dass diese Schaltung externe Dimmsignale von einem Bus drahtlos (z. B. IR, usw.) empfangen kann, wobei diese externe Eingabe schematisch mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist (externe Steuerschnittstelle). Dies trifft offensichtlich auch auf das Ausführungsbeispiel in 1 zu.
Da eine primärseitige Regelung durchgeführt wird, steuert bei dem Ausführungsbeispiel von 2 die Dimmschaltung/Schnittstelle 7 den LED-Treiber 11 z. B. durch Ansteuern des Schalters 14 auf der Primärseite des Konverters.
Für die primärseitige Regelung (2) oder eine sekundärseitige Regelung (1) können verschiedene Möglichkeiten zum Modulieren der Leistung des LED-Leuchtmittels 5 verwendet werden.
Ein erstes Beispiel ist die Modulation des DC-Levels des Stroms durch das LED-Leuchtmittel 5.
Eine zweite Möglichkeit ist eine hochfrequente PWM-Steuerung, wobei „hochfrequent” so zu verstehen ist, dass die resultierenden Strompulse durch das LED-Leuchtmittel 5 eine Frequenz höher als die Frequenz der gleichgerichteten AC-Eingangspannung aufweisen. Im Falle eine AC-Netzspannungsversorgung werden die hochfrequenten Pulse somit eine Frequenz von mehr als 120 Hz aufweisen.
Eine dritte Möglichkeit ist eine PWM-Steuerung der von dem LED-Leuchtmittel 5 verbrauchten Leistung, wobei „niederfrequent” so zu verstehen ist, dass die niederfrequenten PWM-Pulse des Stroms durch die LED 5 eine Frequenz in der Größenordnung der gleichgerichteten Versorgungsspannung, z. B. 100 Hz order 120 Hz, aufweisen.
3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer LED-Treiberanordnung gemäß der Erfindung.
Da eine primärseitige Regelung durchgeführt wird, steuert bei dem Ausführungsbeispiel von 3 die Dimmschaltung/Schnittstelle 7 den LED-Treiber 11 z. B. durch Betätigen des Schalters 14 auf der Primärseite des Konverters 11.
Die Dimmschaltung/Schnittstelle 7 kann auch mit zusätzlichen Sensormitteln verbunden sein. Sie kann mit einer externen Steuerschnittstelle verbunden sein. Die externe Steuerschnittstelle 19 könnte mit einem PIR-Sensor, einer Photozelle oder zusätzlichen Sensoren verbunden sein. Die externe Steuerschnittstelle 19 kann somit für eine Anwesenheitserkennung oder eine Umgebungslichtintensitätserkennung verwendet werden. Durch die Kombination der Dimmsteuerung über das Netz mittels eines Phasenschnittsignals mit der Steuerung über die externe Steuerschnittstelle 19 kann das dimmbare Vorschaltgerät für LED-Leuchtmittel sowohl manuell durch einen Anwender (über den Dimmer 1) als auch automatisch durch die zusätzlichen Sensormittel (über die äußere Steuerschnittstelle 19) gesteuert werden.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Stromableitschaltungsanordnung 6 der Erfindung. Die Stromableitschaltung 6 ist mit der gefilterten AC-Versorgungsspannung versorgt, welche gleichgerichtet wird (Diodenbrücke 4), bevor sie der Stromableitschaltung 6 zugeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gezeigte Stromableitschaltung ein Teil einer LED-Treiberschaltung, z. B. als ein dimmbares Vorschaltgerät für LED-Leuchtmittel, d. h. als Teil einer LED-Lampe zur Verwendung mit normalen GLS-Phasendimmern, vorzugsweise Phasenschnittdimmern, wie zum Beispiel Phasenanschnittdimmern und Phasenabschnittsdimmern, welche beispielsweise eine Triac oder einen Thyristor verwenden.
Die Stromableitschaltung ist mit dem Netzanschluss der LED-Treiberschaltung verbunden.
Sie kann beispielsweise hinter dem Netzfilter 2 der LED-Treiberschaltung oder parallel zu dem Netzgleichrichter 3 der LED-Treiberschaltung angeordnet sein. Die Stromableitschaltung 6 kann eine Konstantstromquelle (T1, T2) umfassen.
Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die periodische Anwendung eines ausreichend hohen Ableitstroms, um den Halte- und Latchstrom des Dimmers zu erreichen, aber die periodische Anwendung des ausreichend hohen Ableitstroms erfolgt nur über genug Netzhalbwellen, um die Ableitung unter Kontrolle zu halten. Dies bedeutet, dass die periodische Anwendung des ausreichend hohen Ableitstroms nur für eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen stattfindet, welchen ein Anzahl von Netzhalbwellen folgt, in denen kein Ableitstrom angewendet wird. Mit anderen Worten wird die Stromableitschaltung 6 in einer Art Burst-Modus verwendet. Dieser Burst-Modus ist gekennzeichnet durch eine periodische Anwendung eines ausreichend hohen Ableitstroms nur für eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen, gefolgt von einer Anzahl von Netzhalbwellen, wo kein Ableitstrom angewendet wird. Vorzugsweise ist die Anzahl der Netzwellen, wo der Ableitstrom angewendet wird, niedriger als die Anzahl der Netzwellen, wo kein Ableitstrom angewendet wird.
Die Ableitsteuerung kann durch eine Zeitlogikeinheit 21 (Steuereinheit U6) erfolgen, vorzugsweise mittels eines Mikrocontrollers, wobei ebenso ein ASIC verwendet werden kann.
Durch die Verwendung einer periodischen Anwendung eines ausreichend hohen Ableitstroms kann eine verbesserte Erfassung sowohl von Phasenanschnitt- als auch von Phasenabschnitt-Dimmsignalen erzielt werden, wobei dadurch eine größere Unterstützung des Dimmers (Triac) erreicht werden kann.
Nachdem Intelligenz erforderlich ist, um zwischen den unterschiedlichen Ableitstrom-Zeitsignalen zu unterscheiden, kann die Zeitlogikeinheit 21 (Steuereinheit U6), vorzugsweise ein Mikrocontroller, verwendet, um den Netzeingang (zur Erfassung des durch den Dimmer, z. B. Triac, bereitgestellten Dimmsignals) zu überwachen und die periodische Anwendung eines ausreichend hohen Ableitstroms zu steuern.
Die Erfassung des Dimmersignals erfolgt auf Grundlage des Ableitstromsignals (über Rshunt).
Die Erfindung kann eine verbesserte Netzerfassung und Dimmlinearität aufgrund der gegebenen Schaltungsintelligenz bereitstellen. Da eine Zeitlogikeinheit 21 (z. B. ein Mikrocontroller) verfügbar ist, kann ein digitales oder analoges Dimmsignal automatisch über die Zeitlogikeinheit 21 (z. B. den Mikrocontroller) erzeugt werden.
Die Erfindung ermöglicht sehr hohe Eingangspulsströme bei einigen Phasenwinkeln.
Aufgrund einer geringeren Abtastzeit kann es zu einer Verzögerung bei der Einstellung des LED-Stroms kommen.
Die Zeitlogikeinheit 21 weist ein Ausgang auf, welcher vorzugsweise mittels eines digitalen Signals einen Transistor T1 schalten kann, um einen Ableitstrom zu aktivieren, welcher durch einen ersten Widerstand R_series, den Transistor T1 (falls eingeschaltet) und einen Mess-Shuntwiderstand R_shunt fließt.
Über die Basis-Emitter-Spannung V_BE eines zweiten Transistors T2 kann die Amplitude des Ableitstroms gesteuert bzw. eingestellt werden, z. B. auf einen Bereich zwischen 10–50 mA, vorzugsweise 20–30 mA.
Die Zeitlogikeinheit 21 kann zum Beispiel ein Mikrocontroller, ein ASIC oder ein Hybrid daraus sein.
Die Zeitlogikeinheit 21 erfasst den resultierenden Ableitstrom an einem Eingangspin der Zeitlogikeinheit 21 ab.
Typischerweise wird der Ableitstrom durch die Zeitlogikeinheit für Zeitspannen aktiviert, in denen die Eingangsspannung (Versorgungsspannung) niedrig ist und z. B. eine Amplitude von weniger als 30 Vpk aufweist. Somit gibt die Zeitlogikeinheit, wenn diese einmal mit der AC-Versorgungsspannung synchronisiert ist, die Stromableitschaltung in diesen Niedrigspannung-Zeitspannen (um die Nulldurchgänge herum) frei und erfasst dann die Aktivität der freigegebenen Stromableitschaltung.
Daher werden die Strompulse an R_shunt in der Nähe der Nulldurchgänge der AC-Versorgungsspannung erfasst, und darüber hinaus werden verschiedene Ableitstrompulse durch R_shunt an dem Eingang der Zeitlogikeinheit erfasst, wenn der Dimmer (Triac) in dem manuell betätigten Dimmer einschaltet.
Während des Phasenschnittzeitraums der AC-Versorgungsspannung wird die Versorgungsspannungsamplitude niedrig sein, und der einzige über Rshunt gezogene Strom ist der Ruhestrom, welcher zum Versorgen (Halten) der Dimmerelektronik, d. h. der Elektronik in dem manuell betätigten Dimmer außerhalb des LED-Leuchten-Vorschaltgeräts, notwendig ist.
Es sei angemerkt, dass bei dem gezeigten Beispiel die Stromableitaktivität durch Messung des Ableitstroms, wie insbesondere der Zeiten und/oder Weiten der Ableitstrompulse, erfolgt. Die Weite dient als Unterscheidungskriterium für Pulse mit unterschiedlichen Ursachen.
Die Aktivität der Stromableitschaltung kann jedoch alternativ oder sogar zusätzlich anhand der Netzspannungsleitung erfasst werden. Ein derartiges Beispiel wird später als eine Variante von 6 beschrieben werden.
5 zeigt eine Darstellung des Phasenabschnittsdimmer-Ausgangssignals (obere Ansicht, Vin) und des Aktivierungszeitraums, welcher in der unteren Ansicht dargestellt ist.
Wie bereits erwähnt, ist ein Hauptmerkmal der Erfindung die periodische Anwendung eines ausreichend hohen Ableitstroms, wobei die periodische Anwendung des ausreichend hohen Ableitstroms nur über genügend Netzhalbwellen erfolgt, um die Verlustleistung unter Kontrolle zu halten. Bei dem Beispiel von 5 findet die periodische Anwendung des Ableitstroms nur für zwei Netzhalbwellen statt, gefolgt von einer Anzahl von Netzhalbwellen, in denen kein Ableitstrom angewendet wird.
Während des Zeitraums der Aktivierung der Stromableitschaltung 6 kann der Haltestrom (IH) durch den Dimmer gezogen werden, und der LED-Treiber 11 kann Leistung (IL) von der AC-Versorgung ziehen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Stromableitschaltung 6 wiederholt während des Zeitraums der Aktivierung aktiviert werden kann, wobei die Stromableitschaltung 6 nicht über einen gesamten Zeitraum der Aktivierung aktiviert werden muss, da eine gepulste oder wiederholte Aktivierung der Stromableitschaltung 6 weiter die Verlustleistung wie zuvor beschrieben reduzieren kann.
Die Aktivierung der Stromableitschaltung 6 bedeutet nicht, dass die Stromableitschaltung 6 im aktivierten Zustand automatisch einen Ableitstrom zieht, da die Aktivität der Stromableitschaltung 6 ebenso von anderen Parametern abhängen kann, z. B. der Amplitude der Netzspannung oder dem Status des Dimmers. Ein Beispiel dafür ist, dass die Stromableitschaltung 6 betrieben wird, um einen Ableitstrom zu ziehen, wenn die Versorgungsspannungsamplitude niedriger als ein Grenzwert ist und die Stromableitschaltung 6 durch die Zeitlogikeinheit 21 aktiviert ist.
Ein Algorithmus zur Erfassung steigender oder fallender Flanken kann in dem LED-Vorschaltgerät unterteilt werden, um den Zeitpunkt des Phasenschnitts aus der Strompulsinformation durch Auswertung der Pulsweite oder der Zeitpunkte der Pulse zum Berechnen der Nulldurchgänge der AC-Versorgungsspannung sowie die Betriebsfrequenz der AC-Versorgungsspannung abzuleiten. Die schmaleren Strompulse zeigen die Position des Phasenschnitts an.
Dieses Erfassen der breiten Strompulse (Ableitstrom) bzw. der schmalen Strompulse (Art des Phasenschnitts durch den Triac oder den Thyristor in dem Dimmer) kann durch die Zeitlogikeinheit 21 durchgeführt werden.
Der Zeitpunkt des Phasenschnitts des Dimmers kann somit durch Verwenden die Strominformation von der Stromableitschaltung 6 erfasst werden. Der erfasste Phasenschnitt kann somit als eine Dimmsteuerinformation verwendet werden und kann auf verschiedene Art und Weise „umgesetzt” werden (siehe oben: Modulation des DC-Stroms durch das LED-Leuchtmittel, Hochfrequenz-PWM oder Niedrigfrequenz-PWM).
Bei der einfachsten Variante, z. B. der niederfrequenten PWM-Steuerung des LED-Leuchtmittels 5, wird der Betrieb des DC/DC-Konverters 11 während des erfassten Phasenschnitts gestoppt.
Für den Fall, dass ein Algorithmus zur Erfassung fallender Flanken implementiert werden soll, besteht das Problem, dass wenn der Dimmer seinen MOSFET oder ähnliches ausschaltet, oft eine unzureichende Last auf dem Dimmer wirkt, damit sein Ausgang der Phasenschnittinformation folgen kann, so dass keine Ableitstrompulse auftreten werden, falls die Spannung nicht unter 30 Vpk fällt. Um den Zeitpunkt des Phasenschnitts genau zu erfassen, kann der Ableitstrom durch Anwendung eines aktiven oder adaptiven Verfahrens aktiviert werden. Ein Beispiel wäre, dass der Ableitstrom kontinuierlich für eine oder mehrere Zyklen der AC-Versorgungsspannung aktiviert wird, um eine Erfassung der Zeitpunkte entweder über die Spannung an dem Mess-Shuntwiderstand R_shunt (wenn der Dimmerschalter ausgeschalten ist) oder über das Eingangsversorgungsspannungssignal, welches an dem Ausgang des Brückengleichrichters 3 erfasst werden kann, zu ermöglichen. Die Wiederholungsrate für die Ableitstromaktivierung sollte ausreichend sein, um schnell zu erfassen, wenn der Dimmer verändert wird, aber niedrig genug sein, um die Verlustleistung innerhalb der Stromableitschaltung 6, 6' auf einem akzeptablen Niveau zu halten.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann ein PWM-Signal mit hoher Frequenz an den Ableitschalter (4) angelegt werden, um die Verlustleistung zu beschränken. Dies kann während der Spannungzeitdauer verfolgt werden, um die Phasenschnittposition zu erfassen.
Gemäß dieser Erfindung kann eine Stromableitschaltung-Aktivierung für einen Zyklus der AC-Versorgungsspannung verwendet werden, und die durchschnittliche Spannung kann verwendet werden, um die Dimmerinformation vorherzusagen. Dies kann zu Beispiel alle 10 Zyklen durchgeführt werden, um die Verlustleistung in der Stromableitschaltung zu beschränken.
6 zeigt eine andere Ausführungsform einer Stromableitschaltungsanordnung 6 der Erfindung. Im Unterschied zu dem Beispiel von 4 basiert die Erfassung des Dimmersignals auf dem Netzspannungssignal anstelle des Ableitstromsignals (die Spannung wird direkt an dem Ausgang des Gleichrichters 4 gemessen).
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Erfassung des Netzpegels an dem Ausgang des Gleichrichters 4 über den Widerstandsteiler R49, R48 und R46.
Die Aktivierung der Stromableitschaltung 6 könnte zusätzlich von dem Strom am Ausgang des ersten Gleichrichters 3 abhängen, d. h. von dem Strom, welcher in die Filterschaltung 10, die einen Kondensator aufweist, fließt. Der Ableitstrom wäre nur aktiviert bzw. freigegeben, wenn der Strom in die Filterschaltung 10 (oder die aktiv geschaltete PFC-Schaltung 9 oder die Talfüllschaltung 8) unter einem gegeben Grenzwert wäre.
7 zeigt eine weitere mögliche Darstellung einer Stromableitschaltung 6' gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß dieser Ausführungsform aktiviert die Zeitlogikeinheit 21' den ein PWM-Signal, welches durch eine RC-Filterschaltung (C1, R2) gefiltert wird, ausgebenden Ableitstrom, um z-B einen MOSFET-Schalter M1 in den leitenden Zustand zu steuern.
Der daraus resultierende Ableitstrom wird erneut mit Hilfe eines Mess-Shuntwiderstands R_shunt gemessen und einem Eingangspin der Zeitlogikeinheit 21' zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1016062 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Steuern der Helligkeit einer LED, wobei ein dimmbares LED-Modul mit einem Dimmer verbunden ist, wobei das dimmbare LED-Modul eine Stromableitschaltung (6) enthält, gekennzeichnet durch eine periodische Anwendung eines Ableitstroms, wobei die periodische Anwendung des Ableitstroms nur über eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen angewendet wird, welchen eine Anzahl von Netzhalbwellen folgt, wo kein Ableitstrom angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dimmersignal währen der periodischen Anwendung des Ableitstroms erfasst wird und als eine Dimminformation für die in dem dimmbaren LED-Modul enthaltenen LED-Treiberschaltung (11) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimminformation auch als Dimminformation für die LED-Treiberschaltung während der Zeitspanne verwendet wird, in der kein Ableitstrom angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimminformation zumindest vorübergehend in einem Speicher gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimminformation für eine Einstellung des LED-Stroms verwendet wird.
Dimmbares LED-Modul, wobei das Modul ausgestaltet ist, um durch Verwendung eines Dimmers, welcher einen Phasenschnitt einer dem LED-Modul zugeführten AC-Versorgungsspannung steuert, gedimmt zu werden, wobei das Modul umfasst: eine Stromableitschaltung (6) zum selektiven Ziehen eines Ableitstroms abhängig von dem in der AC-Versorgungsspannung vorhandenen Phasenschnitt, gekennzeichnet durch eine periodische Anwendung eines Ableitstroms, wobei die periodische Anwendung des Ableitstroms nur über eine bestimmte Anzahl von Netzhalbwellen angewendet wird, welchen eine Anzahl von Netzhalbwellen folgt, wo kein Ableitstrom angewendet wird.
LED-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dimmersignal während der periodischen Anwendung des Ableitstroms erfasst wird und als eine Dimminformation für die LED-Treiberschaltung (11) verwendet wird.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Stromableitschaltung eine von der Steuerschaltung separate Schaltung oder eine in die Steuerschaltung integrierte Schaltung ist.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, wobei das Ableitaktivität-Anzeigesignal ein Pulssignal ist.
LED-Modul nach Anspruch 9, wobei die Steuerschaltung die Pulsweite des Ableitaktivität-Anzeigesignals bestimmt.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 6–10, wobei der Ableitstrom konstant, variierend oder gepulst, insbesondere aktiv PWMgesteuert, ist.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Stromableitschaltung eine Stromquelle umfasst und passiv aktiviert wird, oder wobei die Stromableitschaltung eine zeitlich gesteuerte Logik, welche aktiv einen Schalter der Stromableitschaltung steuert, umfasst.
LED-Modul nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Steuerschaltung ausgestaltet ist, um basierend auf dem Stromableitschaltung-Anzeigesignal sowohl die Zeiten der Nulldurchgänge der AC-Versorgungsspannung als auch die Zeiten jedes Phasenschnitts der AC-Versorgungsspannung zu erhalten.